Co to jest reaktor do produkcji farb: gotowanie lakieru, dyspergowanie i rozcieńczanie

Czym jest reaktor do produkcji farb drukarskich: gotowanie lakieru, dyspergowanie i rozcieńczanie

Odpowiedź na kluczowe pytanie: Czym jest reaktor do produkcji farb drukarskich? Reaktor do produkcji farb drukarskich to naczynie, w którym wytwarza się farbę drukarską, a które pełni trzy odrębne funkcje. Gotowanie lakieru polega na rozpuszczeniu lub reakcji żywicy w rozpuszczalniku lub oleju w temperaturze 120-200°C przez 2-8 godzin w celu wytworzenia medium przenoszącego pigment i wiążącego go z podłożem. Dyspergowanie polega na rozbijaniu aglomeratów pigmentu w skoncentrowanej bazie mielenia przy obciążeniu pigmentem wynoszącym 20-40%, przy użyciu dyspergatora wysokoobrotowego lub mieszadła rotor-stator pracującego z prędkością obwodową 15-30 m/s, z celem uzyskania wielkości cząstek poniżej 5-15 mikrometrów i stopnia rozdrobnienia Hegmana 6-8. Rozcieńczanie polega na rozcieńczeniu bazy mielenia do ostatecznej formulacji przy delikatnym mieszaniu w temperaturze 25-45°C. Zakłady produkcyjne mogą realizować wszystkie trzy etapy w jednym uniwersalnym naczyniu lub, przy większych wolumenach, dedykować podgrzewany reaktor do lakieru i oddzielny zbiornik do dyspergowania wysokoobrotowego, ponieważ te dwie czynności wymagają przeciwnych warunków.

1. Trzy etapy i ich wymagania

Gotowanie lakieru, dyspergowanie i rozcieńczanie wymagają różnego sprzętu, a zrozumienie dlaczego wyjaśnia cały układ zakładu:

• Gotowanie lakieru: Lakier, czyli medium, jest środkiem tworzącym powłokę farby i decyduje o połysku, przyczepności, wysychaniu i reologii. Jest wytwarzany przez rozpuszczenie twardej żywicy, takiej jak fenolowa modyfikowana kalafonią, żywica maleinowa lub węglowodorowa, w oleju schnącym lub alkidzie w temperaturze 120-200°C, czasami z reakcją chemiczną, taką jak estryfikacja, lub z dodatkiem żelującego aluminium lub tytanu w celu budowy struktury. Reaktor jest naczyniem płaszczowym ogrzewanym olejem termicznym lub parą wysokociśnieniową, wyposażonym w skraplacz zwrotny do zwrotu rozpuszczalnika, osłonę azotową zapobiegającą utlenianiu i ciemnieniu oraz mieszadło zdolne do pracy z lepką, kleistą masą. Czas gotowania wynosi 2-8 godzin, a punkt końcowy określa się na podstawie lepkości, rozpuszczalności lub przejrzystości na płytce szklanej, a w przypadku lakierów żelujących – na podstawie określonej struktury żelu, a nie tylko czasu.
• Wstępne mieszanie i zwilżanie pigmentu: Zanim zostanie zastosowane jakiekolwiek ścinanie, pigment musi zostać zwilżony: powietrze i zaadsorbowana woda na powierzchni pigmentu muszą zostać wyparte przez medium, w przeciwnym razie energia ścinania jest marnowana, a dyspersja nigdy się nie rozwija. Zwilżanie odbywa się w wolnoobrotowej mieszalce o dużym przepływie, często mieszalce planetarnej lub motylkowej do farb pastowatych, przy użyciu medium o niskiej lepkości i dobrych właściwościach zwilżających. Obciążenie pigmentem w mieszance wstępnej jest celowo wysokie, 20-40%, ponieważ wysoka zawartość ciał stałych zwiększa lepkość, a tym samym ścinanie przenoszone na aglomeraty. Na etapie wstępnego mieszania operatorzy najczęściej tracą czas, ponieważ niedostatecznego zwilżenia nie można odzyskać na dalszych etapach: źle zwilżona partia będzie mielona godzinami bez osiągnięcia stopnia rozdrobnienia, podczas gdy dobrze zwilżona partia szybko osiągnie specyfikację.
• Dyspergowanie i mielenie: Dyspergowanie polega na rozbiciu zwilżonych aglomeratów do ich cząstek pierwotnych. W przypadku farb ciekłych często wystarcza dysk dyspergujący wysokoobrotowy pracujący z prędkością obwodową 15-30 m/s, a partia jest przetwarzana w jednym naczyniu w ciągu 30-90 minut. W przypadku farb pastowatych i pigmentów o wysokiej wydajności baza mielenia jest przepuszczana przez młyn kulowy, młyn trójwalcowy lub poziomy młyn mediowy, gdzie ścinanie jest generowane przez względny ruch mediów mielących, a nie przez wirnik, co daje znacznie drobniejszy i węższy rozkład wielkości cząstek. Parametrami kontrolnymi są: energia właściwa, w kilowatogodzinach na tonę, czas przebywania w młynie i wielkość mediów, a celem jest wielkość cząstek poniżej 5-15 mikrometrów ze stopniem rozdrobnienia Hegmana 6-8 dla większości farb.
• Rozcieńczanie, dostosowanie i wykańczanie: Rozcieńczanie jest etapem najczęściej niedocenianym. Skoncentrowana baza mielenia jest rozcieńczana dodatkowym medium, rozpuszczalnikiem, susznikami i dodatkami przy delikatnym mieszaniu w temperaturze 25-45°C, ponieważ dalsze wysokie ścinanie na tym etapie może ponownie aglomerować już rozwiniętą dyspersję, rozbijać strukturę tiksotropową lub odparowywać lotny rozpuszczalnik. Jest to również moment, w którym dostosowuje się ostateczne właściwości: lepkość do specyfikacji prasy, lepkość, płynność, a co najważniejsze, kolor, który jest dopasowywany do wzorca za pomocą spektrofotometru i korygowany małymi dodatkami past barwiących. Gotowa farba jest następnie filtrowana, zazwyczaj przez worki lub wkłady o rozmiarze 25-100 mikrometrów, w celu usunięcia nadmiernie dużych cząstek i grudek żelu, które w przeciwnym razie spowodowałyby smugi lub zużycie płyt na prasie, i jest napełniana w warunkach minimalizujących tworzenie się kożucha i utratę rozpuszczalnika.

2. Konstrukcja reaktora według rodzaju farby

Trzy szerokie rodziny farb stawiają bardzo różne wymagania reaktorowi:

• Farby pastowate i offsetowe: Farby offsetowe i litograficzne to pasty o wysokiej lepkości, zazwyczaj 10-100 Pa·s, o wyraźnej strukturze tiksotropowej i rozrzedzającej się pod wpływem ścinania, ponieważ muszą być przenoszone przez zespół walców bez unoszenia się lub zamglenia. Reaktor musi zatem generować bardzo wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości, dlatego w zakładach produkujących farby pastowate stosuje się mieszalniki planetarne, mieszadła z ostrzem sigma lub podwójnym ramieniem oraz wytrzymałe dyspergatory zamiast standardowych mieszadeł turbinowych. Odprowadzanie ciepła jest ważne, ponieważ nakład energii jest duży, a pasta jest słabym przewodnikiem, dlatego naczynie jest płaszczowe, a mieszadło jest często wyposażone w zgarniacz lub konstrukcję o małym prześwicie. Temperatura jest utrzymywana poniżej około 50-60°C, ponieważ wiele żywic i żelujących jest wrażliwych na ciepło, a nadmierne ciepło w żelującym lakierze trwale niszczy strukturę nadającą farbie reologię.
• Farby ciekłe, fleksograficzne i grawiurowe: Farby fleksograficzne i grawiurowe to ciecze o niskiej lepkości, zazwyczaj 0,05-2 Pa·s, i są one na bazie rozpuszczalników lub wody. Reaktor jest standardowym naczyniem ze stali nierdzewnej, płaszczowym lub bezpłaszczowym, z dyspergatorem wysokoobrotowym, a proces jest realizowany w jednym naczyniu: dodaje się medium, dodaje się pigment przy wysokim ścinaniu, w razie potrzeby mieli, a następnie rozcieńcza. Ponieważ rozpuszczalnik jest lotny i łatwopalny, naczynie musi być zamknięte lub przynajmniej przykryte, uziemione i połączone, a często przystosowane do wentylacji niskociśnieniowej lub podłączone do systemu odzyskiwania rozpuszczalnika; wersje na bazie wody wymagają zamiast tego kontroli piany i punktu dozowania środka przeciwpieniącego. Ciekłe farby na bazie wody dodają dalszy wymóg: amina używana do solubilizacji żywicy odparowuje podczas suszenia, dlatego pH i zawartość aminy są kontrolowane w reaktorze i monitorowane podczas pracy.
• Farby utwardzalne energią i UV: Farby UV i utwardzane wiązką elektronów to formulacje w 100% stałe, zbudowane z oligomerów, monomerów reaktywnych i fotoinicjatorów, które polimeryzują w ciągu sekund pod wpływem światła UV. Wymagania dotyczące reaktora są nietypowe: nie usuwa się rozpuszczalnika, więc nie jest potrzebna kolumna destylacyjna, ale temperatura musi być utrzymywana poniżej około 60-70°C przez cały czas, ponieważ mieszanina oligomerów i monomerów może polimeryzować termicznie, a partia musi być chroniona przed jakimkolwiek źródłem światła, które mogłoby zainicjować utwardzanie. Naczynia są zatem płaszczowe do chłodzenia, wyposażone w bursztynowe lub nieprzezroczyste wzierniki i pokrywy na wszystkich otworach, a często wyposażone w blokadę temperaturową. Mieszanie jest umiarkowane, ponieważ te formulacje mają niską do średniej lepkości, a krytycznymi etapami są kolejność dodawania i całkowite rozpuszczenie fotoinicjatora, co może zająć 30-90 minut.
• Materiały, czyszczenie i zmiana koloru: Zakłady produkujące farby wytwarzają setki formulacji i dziesiątki kolorów, dlatego dominującym czynnikiem ekonomicznym jest zmiana produkcji. Stal nierdzewna 316L o polerowanym lub elektropolerowanym wykończeniu jest standardem, a stal emaliowana jest używana do systemów kwaśnych lub silnie pigmentowanych. Konstrukcja ułatwiająca czyszczenie oznacza konstrukcję bez szczelin, zawory denne montowane na równi, brak wewnętrznych martwych przestrzeni, kule natryskowe do czyszczenia na miejscu (CIP) i, w wielu zakładach, dedykowany system odzyskiwania rozpuszczalnika do mycia, ponieważ rozpuszczalnik używany do czyszczenia jest największym pojedynczym strumieniem odpadów. Wielu producentów dedykuje naczynia według rodzin kolorów, oddzielając czarne, białe i kolory procesowe, ponieważ dokładne czyszczenie nie usuwa każdego śladu z rowka uszczelki, a drobina czarnego tuszu w białym tuszu oznacza odrzuconą partię, a nie drobną wadę.

Macierz porównania etapów produkcji farb

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

P: Jaka jest różnica między reaktorem do lakieru a zbiornikiem do dyspergowania?

O: Reaktor do lakieru to podgrzewane, płaszczowe naczynie, które gotuje żywicę w oleju lub rozpuszczalniku w temperaturze 120-200°C, ze skraplaczem zwrotnym, osłoną azotową i mieszadłem o umiarkowanej prędkości; jego zadaniem jest rozpuszczanie, a czasami reakcja chemiczna, a czynniki projektowe to dostarczanie ciepła, zwrot rozpuszczalnika i zapobieganie utlenianiu. Zbiornik do dyspergowania to naczynie wysokoobrotowe, które pracuje w temperaturze 30-60°C, z dyskiem dyspergującym lub rotorem-statorem osiągającym prędkość obwodową 15-30 m/s, a jego zadaniem jest czysto fizyczne: rozbijanie aglomeratów pigmentu do ich cząstek pierwotnych. Te dwa są przeciwstawne w niemal każdym aspekcie, dlatego zakłady o dużym wolumenie je rozdzielają, a połączone naczynie jest zawsze kompromisem. Układ z jednym uniwersalnym naczyniem ma sens dla małego zakładu z wieloma krótkimi seriami; dedykowane naczynia wygrywają, gdy tylko wolumen je uzasadnia.

P: Dlaczego dyspergowanie pigmentu jest kluczowym etapem produkcji farb?

O: Ponieważ siła koloru, połysk, przejrzystość i stabilność farby są determinowane przez to, jak całkowicie pigment jest zdyspergowany. Pigment jest produkowany w postaci aglomeratów o wielkości 10-100 mikrometrów, ale jego właściwości optyczne rozwijają się dopiero wtedy, gdy zostaną one rozbite do cząstek pierwotnych o wielkości 0,05-1 mikrometra. Niedostatecznie zdyspergowana farba ma niższą siłę koloru, więc potrzeba więcej pigmentu dla tego samego odcienia, ma słaby połysk, ziarnistą teksturę, która zużywa płytę drukarską, i tendencję do osadzania się w puszce. Możliwe jest również nadmierne dyspergowanie: dalsze ścinanie po rozwinięciu dyspersji może rozbić cząstki pierwotne, powodując przesunięcie odcienia, lub ponownie je aglomerować poprzez kolizje. Dlatego dyspergowanie jest monitorowane za pomocą wskaźnika rozdrobnienia Hegmana podczas pracy i zatrzymywane, gdy tylko zostanie osiągnięta specyfikacja, zamiast mielenia przez określony czas.

P: Co to jest stopień rozdrobnienia Hegmana i jaką wartość powinna osiągnąć farba?

O: Stopień rozdrobnienia Hegmana to szybka metoda pomiaru największych cząstek w dyspersji na hali produkcyjnej, uzyskana przez rozprowadzenie próbki po utwardzonym bloku stalowym z rowkiem zwężającym się, od 100 mikrometrów na głębokim końcu do zera na płytkim końcu, i odczytanie punktu, w którym po raz pierwszy pojawiają się cząstki lub rysy. Skala wynosi od 0 do 8, gdzie wyższa liczba oznacza drobniejszy stopień. Większość farb drukarskich celuje w 6 do 8, co odpowiada maksymalnej wielkości cząstek poniżej około 15-25 mikrometrów, z drobnymi farbami do druku głębokiego i atramentowymi na górze zakresu, a grubymi farbami rastrowymi niżej. Test jest ceniony, ponieważ zajmuje około minuty i nie wymaga przygotowania próbki, dzięki czemu można zatrzymać młyn w odpowiednim momencie; jest on zazwyczaj wspierany przez dyfrakcję laserową dla pełnego rozkładu wielkości cząstek i pomiar koloru spektrofotometrycznego do wydania.

P: Co powoduje zmienność partii w farbach drukarskich?

O: Pięć przyczyn, w kolejności częstotliwości. Zmienność pigmentu: różne partie produkcyjne tego samego pigmentu mogą różnić się wielkością cząstek, obróbką powierzchni i odcieniem, dlatego przyjmowany pigment jest kwalifikowany na podstawie wzorcowego rozmazu, a nie tylko na podstawie certyfikatu. Energia dyspersji: energia właściwa w kilowatogodzinach na tonę i prędkość obwodowa wpływają na ostateczną wielkość cząstek, więc zużywający się młyn lub inna wielkość partii niż standardowa zmienia wynik, nawet jeśli przepis jest identyczny. Utrata rozpuszczalnika i substancji lotnych: odparowanie podczas długiej lub gorącej dyspersji zmienia zawartość ciał stałych, a tym samym lepkość i siłę koloru. Ważenie i kolejność dodawania: małe błędy w ilości pigmentu powodują widoczne różnice w kolorze, a kolejność, w jakiej łączone są żywice, rozpuszczalniki i dodatki, wpływa na zwilżanie i stabilność. I temperatura, która wpływa na lepkość, szybkość zwilżania, a w farbach na bazie wody – na równowagę amin i pH.